CN104054215B - 发送接收分离的双极化天线 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是减少发送和接收之间的耦合同时实现发送带和接收带之间的极化波共用。其间以给定间隔设置的发送带贴片天线(3-T)和接收带贴片天线(3-R)均包括：上级接地导体(9)；下级接地导体(19)；馈电线(15)，其设置在上级接地导体(9)和下级接地导体(19)之间；馈电槽(13)，其形成在上级接地导体(9)中；贴片(5)，其通过馈电槽(13)与馈电线(15)电磁耦合；以及电磁屏蔽构件(23、29)，其以电磁屏蔽构件(23、29)围绕馈电线(15)这样的方式与上级接地导体(9)和下级接地导体(19)连接。馈电线(15)包括与各个极化波对应的相互独立的馈电导体(15a、15b)。

Description

发送接收分离的双极化天线
技术领域
本发明涉及尤其优选地用于移动通信基站的发送接收分离的双极化天线。
背景技术
为了保证随着数据传输速度变得更高而不断增加的每比特功率，减少馈电系统中的损耗是有益的(例如，参见非专利文献1)。图20示出其中将发送和接收前端电路和天线一体实现的构造，将发送和接收前端电路和天线一体实现是用于实现馈电系统中的损耗减少的方式之一。
在图20中，在天线101的正下方设置将发送带和接收带分离的双工器103，在双工器103之后的一级中设置用于去除不必要频带信号的带通滤波器105和107。为了分别增大接收带和发送带中的信号的电平，设置布置在带通滤波器105之后的一级中的低噪声放大器(LNA)109和布置在带通滤波器107之后的一级中的功率放大器(PA)111。
根据上述构造，可以针对接收带实现噪声因数(NF)的减小，可以针对发送带实现所需的辐射功率的减小。然而，如果将上述构造应用于频分双工(FDD)系统，则为了分离发送带中的信号，对于不必要频带中的信号的带阻量，所需值变高，因此，会出现问题，以致变得有必要通过使用多级大的双工器和带通滤波器来响应所需的高值。
在这些情形下，为了实现小尺寸的滤波器，已经提出了根据专利文献1至3的发送接收分离的天线，这些天线额外地包括双工器的功能。发送接收分离的天线通过抑制用于发送带的天线和用于接收带的天线之间的交叉耦合(这种现象将在此后被称为“发送和接收之间的耦合”)来实现布置在天线之后的级中的滤波器的级数减少。根据专利文献1的天线用发送带中的极化波和接收带中的极化波相互交叉的构造减少发送和接收之间的耦合，由此可以实现大约-35dB那么低的发送和接收之间的耦合。根据专利文献2的天线通过提供预期成为带阻的寄生元件，将甚至相同极化波之间的发送带中的发送和接收之间的耦合减少至大约-30dB那么低的电平。根据专利文献3的天线通过使用与用于发送带和接收带的天线相同的盘旋方向的圆形极化天线并且通过允许一个元件结构旋转，将发送和接收之间的耦合减少至大约-50dB那么低的电平。
根据专利文献1和2的上述天线的基本结构是使用微带线的发送接收分离的贴片天线。现在，将讨论在上述发送接收分离的贴片天线中共用极化波的情况下出现的发送和接收之间的耦合。图21是示出使用微带线作为馈电线的发送接收分离的双极化贴片天线的透视图，图22是贴片天线的分解示图。发送接收分离的双极化贴片天线包括用于发送带的贴片天线201-T和用于接收带的贴片天线201-R。用于发送带的贴片天线201-T由贴片203、位于贴片203下方的十字形馈电槽205、以及位于馈电槽205下方的馈电线207a和207b构成。贴片天线201-R具有类似构造。贴片天线201-T、201-R的馈电槽205形成在公共接地导体板209上。另外，电介质基板211布置在接地导体板209和馈电线207a、207b之间。注意的是，发送接收分离的双极化贴片天线不包括根据专利文献2的天线中包括的用于实现带阻的任何构造。
在发送接收分离的双极化贴片天线中，电力被供给到用于发送带的贴片天线201-T的贴片203，使得通过对应的馈电槽205与馈电线207a、207b电磁耦合来共用极化波。用于接收带的贴片天线201-R的贴片203具有类似构造。图23示出针对发送接收分离的双极化贴片天线的发送和接收之间的耦合的特性。在这个附图中，分别地，fR代表接收带的中心频率，fT代表发送带的中心频率，f0代表接收带的下限频率和发送带的上限频率之间的中心频率，并且fR＝0.953f0，fT＝1.047f0。
从耦合特性中可以清楚，根据发送接收分离的双极化贴片天线，交叉极化波之中的(即，用于接收带的垂直极化波和用于发送带的水平极化波之中的，以及用于接收带的水平极化波和用于发送带的垂直极化波之中的)发送和接收之间的耦合可以减至-40dB或更低，然而，对于相同极化波之间的(即，用于接收带的垂直极化波和用于发送带的垂直极化波之中的，以及用于接收带的水平极化波和用于发送带的水平极化波之中的)发送和接收之间的耦合，最差情况下的值变成-20dB或更高。如上所述，在上述的发送接收分离的双极化贴片天线中，相同极化波之间的耦合变得密集。
[引用列表]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利申请特许公开No.05-41608
[专利文献2]日本专利申请特许公开No.2009-71795
[专利文献3]日本专利申请特许公开No.05-175727
[非专利文献1]KeizoCHO、RyoYAMAGUCHI和HuilingJIANG的“BaseStationandTerminalAntennaTechnologiesRequiredforNextGenerationMobileCommunicationSystems(下一代移动通信系统所需的基站和终端天线技术)”，《电子、信息和通信工程协会期刊》，第J85-B卷，第9期，第886-900页(2008年9月)
发明内容
发明所要解决的问题
在以长期演进(LTE)为代表的未来移动通信中，多输入多输出(MIMO)变成主流技术，并且为了将上述发送接收分离的贴片天线应用于MIMO，对于发送带和接收带二者而言，减少发送和接收之间的耦合同时实现极化波的共用变得必要。然而，如上所述，如果在传统的发送接收分离的贴片天线中共用极化波，会出现问题，以致相同的极化波之中的发送和接收之间的耦合不会减少。
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种发送接收分离的双极化天线，对于发送带和接收带二者而言，该发送接收分离的双极化天线能够减少发送和接收之间的耦合，同时实现极化波的共用。
解决问题的手段
根据本发明的一方面，一种发送接收分离的双极化天线包括：用于发送带的贴片天线和用于接收带的贴片天线。所述用于发送带的贴片天线和所述用于接收带的贴片天线在其间具有预定的间隔。所述用于发送带的贴片天线和所述用于接收带的贴片天线中的每个包括：上级接地导体；下级接地导体；馈电线，其布置在所述上级接地导体和所述下级接地导体之间；馈电槽，其形成在所述上级接地导体上；贴片，其通过所述馈电槽与所述馈电线电磁耦合；电磁屏蔽构件，在所述电磁屏蔽构件位于所述馈电线周围的状态下所述电磁屏蔽构件与所述上级接地导体和所述下级接地导体连接，所述馈电线包括与各个极化波对应的独立的馈电导体。
例如，通过多个通孔形成所述电磁屏蔽构件，所述多个通孔以预定间隔布置在所述馈电线周围并且从所述上级接地导体延伸到所述下级接地导体。另外，可通过金属板形成所述电磁屏蔽构件，所述金属板布置在所述馈电线周围并且从所述上级接地导体延伸到所述下级接地导体。
优选地，用于布置所述用于发送带的贴片天线和所述用于接收带的贴片天线的间隔被设置为0.5λ0(λ0是接收带的下限频率和发送带的上限频率之间的中间频率的波长)或更小。另外，所述馈电槽可以是正方形形状或十字形状。另外，可通过布置多级的发送接收分离的双极化天线来实现阵列结构的发送接收分离的双极化天线。
发明的效果
根据本发明，对于发送带和接收带二者而言，可以减少发送和接收之间的耦合，同时实现极化波的共用。例如，即使在用于发送带的贴片天线和用于接收带的贴片天线间的元件间隔被设置为窄达0.4λ0(λ0是接收带的下限频率和发送带的上限频率之间的中间频率的波长)的情况下，也可实现发送和接收之间的耦合低达-30dB或更低。另外，根据本发明，通过省去原本会布置在发送和接收前端电路内部的双工器，能够缩小设置在后一级的带通滤波器的尺寸。
附图说明
图1是示出根据本发明的发送接收分离的双极化贴片天线的实施方式的透视图。
图2是示出根据实施方式的天线的平面图。
图3是示出用于发送带的贴片天线和用于接收带的贴片天线的分解透视图。
图4是分别示出贴片、上级接地导体、馈电线、下级接地导体的平面结构的平面图。
图5是示出馈电槽的另一个示例的平面图。
图6是示出通孔的布置模式的透视图。
图7是示出用于替代通孔的金属板的透视图。
图8是示出根据实施方式的天线的回波损耗特性的曲线图。
图9是示出根据实施方式的天线的发送接收耦合特性的曲线图。
图10是示出根据实施方式的天线的xy平面上的接收带中的垂直极化波的辐射图案的曲线图。
图11是示出根据实施方式的天线的xy平面上的接收带中的水平极化波的辐射图案的曲线图。
图12是示出根据实施方式的天线的xy平面上的发送带中的垂直极化波的辐射图案的曲线图。
图13是示出根据实施方式的天线的xy平面上的发送带中的水平极化波的辐射图案的曲线图。
图14中的(a)是示出根据实施方式的天线的场强度的分布的示图，(b)是示出当没有设置通孔时观察到的场强度的分布的示图。
图15是示出构造阵列结构的发送接收分离的双极化贴片天线的透视图。
图16是示出阵列结构的发送接收分离的双极化贴片天线的yz平面上的接收带中的波的辐射图案的曲线图。
图17是示出阵列结构的发送接收分离的双极化贴片天线的yz平面上的发送带中的波的辐射图案的曲线图。
图18是示出元件间隔改变后的阵列结构的发送接收分离的双极化贴片天线的yz平面上的接收带中的波的辐射图案的曲线图。
图19是示出元件间隔改变后的阵列结构的发送接收分离的双极化贴片天线的yz平面上的发送带中的波的辐射图案的曲线图。
图20是示出其中发送和接收前端电路与天线被整合到一起的构造的框图。
图21是示出传统的发送接收分离的双极化贴片天线的透视图。
图22是示出传统的发送接收分离的双极化贴片天线的分解视图。
图23是示出传统的发送接收分离的双极化贴片天线的发送和接收之间耦合的特性的曲线图。
具体实施方式
在下面的描述中，f0和λ0分别是接收带的下限频率和发送带的上限频率之间的中间频率及其波长，fR和λR分别是接收带的中心频率及其波长，fT和λT分别是发送带的中心频率及其波长，fR＝0.953f0(波长λR＝1.049λ0)，fT＝1.047f0(波长λT＝0.955λ0)。
图1和图2是示出根据本发明的发送接收分离的双极化贴片天线的实施方式的透视图和平面图。在这些附图中，z轴的方向垂直于地并且xy平面是平行于地的平面。根据本实施方式的发送接收分离的天线包括安装在导体基板1上的用于发送带的贴片天线3-T和用于接收带的贴片天线3-R。用于接收带的贴片天线3-R和用于发送带的贴片天线3-T被布置成使其间的间隔d是0.5λ0或更小，在本实施方式中，间隔d被设置成0.4λ0。
用于发送带的贴片天线3-T和用于接收带的贴片天线3-R包括由金属板构成的至少四层，如图3中的分解透视图中所示。第一层(顶层)是具有正方形形状的贴片5，它是激励元件(天线元件)。贴片5形成在电介质基板7的上表面的中心。第二层是上级接地导体9。上级接地导体9被粘附到电介质基板11的上表面，在其中心形成馈电槽13。第三层是馈电线15。馈电线15包括形成在电介质基板17的上表面上的、用于水平极化波的馈电导体15a和用于垂直极化波的馈电导体15b以及以下将描述的桥接导体15c。第四层(底层)是下级接地导体19。
下级接地导体19被粘附至电介质基板17的下表面，在其中心形成槽21。另外，在槽21的内部形成上述的桥接导体15c。注意的是，上级接地导体9、电介质基板11、馈电线14、电介质基板17和下级接地导体19构成被称为三板式馈电线的馈电线。注意的是，在本实施方式中，将相对介电常数εr是大约3.3的电介质基板用于电介质基板7、11和17。
上述的贴片5、上级接地导体9、馈电线15和下级接地导体19分别由诸如铜箔的金属箔构成，并且通过使用用于形成印刷布线图案的方法(通过蚀刻处理等在电介质的表面上形成预定金属箔图案的方法)进行构图。当电介质基板7、11和17相互堆叠时，贴片5、上级接地导体9、馈电线15和下级接地导体19的中心点位于公共轴上。
图4(a)至图4(d)分别示出贴片5、上级接地导体9的平面结构、馈电线15和下级接地导体19的平面结构。现在，将描述用于在接收带中产生谐振的结构参数的值。例如，贴片5被形成为形成边长为大约0.25λR的正方形，设置在上级接地导体9上的馈电槽13被形成为形成边长为大约0.1λR的正方形。根据谐振频带确定贴片5和馈电槽13的结构，分别地，贴片7的每条边长被设置为0.228λR并且馈电槽13的每条边长被设置为0.125λR。根据本实施方式的馈电槽13被形成为是正方形形状的，然而，馈电槽13的构造不限于此，如果使用图5中示出的十字形馈电槽27，则可以实现类似的功能。
如图3中所示，上级接地导体9和下级接地导体19经由通孔23电短路，通孔23穿透电介质基板11和17。因此，接地导体9和19二者具有相同的电势。如图4至图6中所示，通孔23以0.01λR至0.02λR的间隔布置在边长为大约0.25λR至0.35λR的正方形形状区域的各条边上。注意的是，正方形形状区域的中心点和贴片5的中心点具有相同的xz坐标值(参见图2)。
可使用图7中示出的金属板29替代上述的通孔23。金属板29具有与通孔23的高度基本上相同的高度，并且沿着上述正方形形状区域的各条边设置。在通过使用金属板29使上级接地导体9和下级接地导体19短路的过程中，分别在上级接地导体9、电介质基板11、电介质基板17和下级接地导体19中形成允许金属板29从中穿透的狭缝，通过使用诸如焊接的方式将穿透狭缝的金属板29的上边缘和下边缘分别与上级接地导体9的上表面和下级接地导体19的下表面连接。用于在接收带中产生谐振的结构参数的值如上所述。在发送带中产生谐振的过程中设置的结构参数的值是通过用波长λT取代λR得到的值。通过以上述方式设置结构参数值，图1中示出的用于接收带的贴片天线3-R和用于发送带的贴片天线3-T、以及用于发送带的贴片天线3-T仅仅针对各个天线所使用的频带进行操作。
顺带地，为了共用极化波，必须将用于水平极化波的馈电导体15a和用于垂直极化波的馈电导体15b分离。这就是为什么将导体元件15b的中心切掉的原因。导体元件15b面对切口部分的各端部经由穿透电介质基板17的通孔25与上述的桥接导体15c连接。如上所述，桥接导体15c和通孔25被桥接，而回避了导体元件15b和导体元件15a之间的接触，导体元件15b和导体元件15a因切口被分成两个部分。注意的是，桥接导体15c可设置在上级接地导体9的馈电槽13的内部。
优选地，在考虑到根据本发明的天线的构造的情况下，通过使用如上所述的多层基板来制造根据本发明的天线。在用于接收带的贴片天线3-R中，馈电导体15a的一个端部和馈电导体15b的一个端部分别是用于水平极化波的馈电点和用于垂直极化波的馈电点。这还应用于用于发送带的贴片天线3-T。另外，用于发送带的贴片天线3-T和用于接收带的贴片天线3-R通过由于贴片5和馈电线15之间的通过对应的馈电槽13进行的电磁耦合而共用极化波来分别执行发送操作和接收操作。
图8示出根据本实施方式的天线中出现的回波损耗的仿真结果。从回波损耗特性清楚的是，根据本实施方式的天线，对于其部分带宽最窄的接收带中的水平极化波，其中回波损耗是-9.6dB或更低的部分带宽是大约1.1％。
图9示出根据本实施方式的天线的发送和接收之间的耦合的特性。从发送和接收之间的耦合的特性清楚的是，在发送带和接收带二者中波在相同方向上极化的情况下，耦合值变高，然而，从最差情况下的值是-30dB(其中波是水平极化波的接收带中的值)的事实清楚的是，根据本实施方式的天线整体具有优异特性。对于发送带和接收带二者，交叉极化波中的发送和接收之间的耦合都具有-60dB或更低的优异值。如上所述，根据本实施方式的天线，发送和接收之间的耦合可以减至-30dB或更低，同时实现在发送带和接收带二者中共用极化波。这是因为，图6中示出的通孔23或图7中示出的金属板29具有作为抑制发送和接收之间的耦合的电磁屏蔽构件的功能。
分别地，图10示出根据本实施方式的天线的xy平面上的接收带中的垂直极化波的辐射图案，图11示出天线的xy平面上的接收带中的水平极化波的辐射图案，图12示出天线的xy平面上的发送带中的垂直极化波的辐射图案，图13示出天线的xy平面上的发送带中的水平极化波的辐射图案。从这些附图清楚的是，根据本实施方式的天线，可以不顾及极化的类型在发送带和接收带二者中都实现半带宽为大约80°的优异辐射图案。
图14(a)示出当接收带中的水平极化波被激励时观察到的、针对根据实施方式的天线的场强度分布。图14(b)示出针对其中没有设置通孔23的比较例的天线的场强度分布。根据具有通孔23的本实施方式的天线，由于通孔23的电磁屏蔽作用，导致可有效地减小从被激励的贴片5漏到未被激励的贴片5的电场的量。解释就是，用于接收带的贴片天线3-R和用于发送带的贴片天线3-T之间的耦合量减少。
图15示出阵列结构的发送接收分离的双极化天线，其中，多级的图1中示出的发送接收分离的双极化贴片天线布置在金属板29上。在该天线中，用于发送带的贴片天线3-T和用于接收带的贴片天线3-R交替地布置。另外，用于发送带的相互相邻的贴片天线3-T之间的间隔和用于接收带的相互相邻的贴片天线3-R之间的间隔被设置为值2d，值2d是图2中示出的元件间隔(贴片5之间的间隔)d的两倍大。
图16和图17分别示出阵列结构的发送接收分离的双极化贴片天线的yz平面上的接收带和发送带中的辐射图案，在该天线中布置了元件间隔d为0.4λ0的多级的图1中示出的发送接收分离的双极化贴片天线。图18和图19分别示出在元件间隔d为0.5λ0的情况下比较例的yz平面上的接收带和发送带中的辐射图案。注意的是，所述辐射图案是当各个馈电点在同一相位以相同幅度被激励时观察到的。在图16至图19中，实线和虚线分别代表用于垂直极化波的辐射图案和用于水平极化波的辐射图案。从图16和图17与图18和图19之间的比较清楚的是，如果元件间隔d为0.4λ0，则测试范围内的最大旁瓣电平变成大约13dB，由此相比于其中d＝0.5λ0的情况，进一步抑制了栅瓣。在根据本发明的阵列结构的发送接收分离的双极化贴片天线中，元件间隔d被设置为0.5λ0或更窄，使得可减少耦合量，同时抑制栅瓣。
标号说明
1金属导体
3-T用于发送带的贴片天线
3-R用于接收带的贴片天线
5贴片
7电介质基板
9上级接地导体
11电介质基板
13馈电槽
15馈电线
15a用于水平极化波的馈电导体
15b用于垂直极化波的馈电导体
15c桥接导体
17电介质基板
19下级接地导体
21槽
23、25通孔
27馈电槽
29金属板

Claims (6)

1.一种发送接收分离的双极化天线，所述发送接收分离的双极化天线包括：
用于发送带的贴片天线；以及
用于接收带的贴片天线，
所述用于发送带的贴片天线和所述用于接收带的贴片天线在其间具有预定的间隔并且被单独地馈电，
其中，所述用于发送带的贴片天线和所述用于接收带的贴片天线中的每个包括：
以堆叠方式布置的上电介质基板、中电介质基板和下电介质基板；
上级接地导体，其由金属箔构成并且粘附到所述中电介质基板的上表面；
下级接地导体，其由金属箔构成并且粘附到所述下电介质基板的下表面；
均由金属箔构成并且粘附到所述下电介质基板的上表面的用于水平极化波的馈电导体和用于垂直极化波的馈电导体；
馈电槽，其形成在所述上级接地导体上；
贴片，其由金属箔构成并且粘附到所述上电介质基板的上表面，通过所述馈电槽与所述用于水平极化波的馈电导体和所述用于垂直极化波的馈电导体电磁耦合；以及
电磁屏蔽构件，在所述电磁屏蔽构件位于所述用于水平极化波的馈电导体和所述用于垂直极化波的馈电导体周围的状态下所述电磁屏蔽构件与所述上级接地导体和所述下级接地导体连接，并且
其中，所述用于发送带的贴片天线的上电介质基板、中电介质基板和下电介质基板与所述用于接收带的贴片天线的上电介质基板、中电介质基板和下电介质基板以彼此分开的方式设置。
2.根据权利要求1所述的发送接收分离的双极化天线，其中通过多个通孔形成所述电磁屏蔽构件，所述多个通孔以预定间隔布置在所述用于水平极化波的馈电导体和所述用于垂直极化波的馈电导体周围并且从所述上级接地导体延伸到所述下级接地导体。
3.根据权利要求1所述的发送接收分离的双极化天线，其中通过金属板形成所述电磁屏蔽构件，所述金属板布置在所述用于水平极化波的馈电导体和所述用于垂直极化波的馈电导体周围并且从所述上级接地导体延伸到所述下级接地导体。
4.根据权利要求1所述的发送接收分离的双极化天线，其中用于布置所述用于发送带的贴片天线和所述用于接收带的贴片天线的间隔被设置为0.5λ0或更小，λ0是所述接收带的下限频率和所述发送带的上限频率之间的中间频率的波长。
5.根据权利要求1所述的发送接收分离的双极化天线，其中所述馈电槽是正方形形状或十字形状。
6.一种阵列结构的发送接收分离的双极化天线，其中多级地设置了权利要求1所述的发送接收分离的双极化天线。
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